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    中南大學:石墨烯助力增強快速儲鈉性能

    • 閱讀量:1741
    • 時間:2020-10-19 14:44:00

      導讀:本文通過構建GeS與石墨烯之間的異質結結構,大大提高了材料的儲鈉性能?;谀軒Ю碚?,對不同界面結構與倍率性能之間的關系進行了深入分析,加深了人們對活性材料與炭材料之間的異質結結構的認識,為后續的電極材料的研究設計提供了理論指導。

      鈉離子電池(SIBs)憑借更低的成本,儼然成為最有希望替代鋰離子電池的新型儲能設備。但是鈉離子電池同樣也在電極材料方面陷入了瓶頸,如何更高效的釋放電極材料的潛力已成為SIBs走向商業化應用的關鍵問題。

      近日,中南大學的張佳峰教授及其團隊基于能帶理論,對于活性物質與炭材料之間的分層誘導結構進行了深入探索,證明金屬與炭之間的鍵對材料良好儲鈉性能的關鍵作用。相關論文以題為“Enhancing the Rapid Na+-Storage Performance via Electron/Ion Bridges through GeS2/Graphene Heterojunction”在 ACS nano上發表。 

      不同于其他通過設計新型材料或電池系統獲取高能量密度的方法,SIBs目前急需最大限度的開發電極材料的潛力。自1960年費米闡明界面/表面對材料性能的巨大影響,界面效應一直被認為是提升材料性能的有效手段。目前電池材料中關于界面已經有不少學者進行了研究,但主要集中于活性材料與基體界面上的電導率研究,界面上更深層次的電子/離子之間的相互作用還缺乏進一步的研究開發。因此,全面了解界面上的儲能機理仍然是堿金屬電池尤其是SIBs迫切需要解決的問題。

      本文作者針對這一問題,以GeS2和石墨烯作為研究對象,對GeS2/C復合相、C-S鍵和C-Ge鍵三種接觸模式與無功電勢和極化電勢之間的關系進行了分析討論。并依此設計出了多級的GeS2/3DG復合材料,GeS2納米顆粒均勻的被石墨烯均勻的包覆。在界面上精心設計的C-Ge鍵所形成的GeS2/石墨烯異質結結構,可以通過減少電子聚集極化很好的提升電子轉移效率。此外,石墨烯中的缺陷可以減輕離子濃度引起的極化,為鈉離子輸送提供額外的離子通道。這些效應最終導致所制備的GeS2/3DG電極的儲鈉性能遠高于單純GeS2/rGO復合材料。 

    圖1 GeS2/C復合相、C-S鍵和C-Ge鍵三種模型在SIBs中的電子/離子轉移示意圖  

    圖2 GeS2/3DG的制備示意圖和電鏡表征分析

    圖3 樣品的結構和化學狀態分析

    圖4 樣品的反應動力學分析和贗電容貢獻比例計算

    圖5 充放電過程中的結構變化表征

    圖6 樣品儲鈉性能測試


      總的來說,作者發現石墨烯不僅僅是以C-Ge鍵作為活性位點,還為GeS2提供了一個額外的離子傳輸通道。而C-Ge鍵的電子轉移效率的提高同樣不同于摻雜,而是通過降低極化效應獲得。上述結果均表明,石墨烯缺陷在電極材料中的作用需要重新評估和進一步研究。該研究加深了電極材料上異質結結構的研究,為更好的挖掘電極材料的潛力提供了新的思路。

       論文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c06371

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